基因工程揭示进化历程

蓝藻是单细胞生物,能源来自光,利用光合作用将大气二氧化碳(CO2)和水(H2O)透气氧气和碳基分子如蛋白质组成细胞。

蓝细菌是地球上第一个生物进行光合作用,并负责向早期地球氧气,从而显著影响生活是如何进化的。

地质测量表明,早期地球的大气层——三十亿年前可能富含二氧化碳,远高于当前水平人为造成的气候变化,这意味着古代蓝藻有足够“吃”。But over Earth's multi-billion-year history, atmospheric CO2 concentrations have decreased, and so to survive, these bacteria needed to evolve new strategies to extract CO2. Modern cyanobacteria thus look quite different from their ancient ancestors, and possess a complex, fragile set of structures called a CO2-concentrating mechanism (CCM) to compensate for lower concentrations of CO2.

现在,加州理工学院的最新研究揭示了CCM的发展,如何解决长期存在的神秘领域的进化生物学。这项新研究利用基因技术模型的远古祖先现代生物,使研究人员能系统地试验在不同版本的细菌和揭示可能的进化历程。

实验室之间的合作研究是加州理工学院的生物学教授伍德沃德费舍尔大卫野蛮,加州大学伯克利分校的分子生物学副教授和霍华德休斯医学研究所。它出现在杂志上美国国家科学院院刊》上。

“这是一个新兴的方法研究地球历史,”费舍尔说。“我们可以把现代生物和重塑它在实验室里,允许我们测试其发展的轨迹与严格的实验室实验。”

蓝藻“吃”二氧化碳的帮助下一个名为二磷酸核酮糖羧化酶的酶。二磷酸核酮糖羧化酶,简而言之,慢慢不擅长自己的工作行为,往往与其他分子的反应,而不是二氧化碳。这不是一个问题对蓝藻的环境中,高浓度的二氧化碳;二磷酸核酮糖羧化酶可以低效和细菌代谢仍然可以有足够的二氧化碳。但由于大气二氧化碳水平下降了那么多数十亿年来,现代蓝藻进化CCM二氧化碳集中在细菌自身的身体和增加二磷酸核酮糖羧化酶的效率。

CCMs是令人费解的进化生物学家,因为他们是那么delicate-altering CCM的20个基因编码的各个部分导致整个结构的失败。

“我们认为进化是循序渐进的发生,随着每一个新的基因添加一些新的功能,“Avi Flamholz说,加州理工学院博士后学者和作者在新的纸上。“例如,古代现代人眼的前兆没有眼睛的功能,但可能会发现光以某种形式。CCM,没有一个清晰的路径指示他们如何进化到现在的复杂性。”

在新的研究中,研究小组开始模型可能的古老的CCM迭代结构。为此,他们转基因大肠杆菌细菌需要二氧化碳的新陈代谢。因为有了遗传工具处理大肠杆菌在实验室里,更容易处理的工作与这个模型系统而不是蓝藻。然后团队设计大肠杆菌菌株的20个基因构成了CCM,系统地添加,删除,修改基因为了模型CCM结构的所有可能的进化轨迹。

这样,Flamholz和他的团队发现,事实上有一些生物可行轨迹,导致复杂的现代CCM的出现。

“这些结果强调了无处不在的全球变化和地球生物圈的进化之间的对话,”费舍尔说。“二氧化碳成为永远稀缺,蓝藻能够创新卓越的生化的解决方案。”

参考:Flamholz AI,杜根E, Panich J, et al .细菌CO2-concentrating机制的演变轨迹。《美国国家科学院学报》上。2022;119 (49):e2210539119。doi:10.1073 / pnas.2210539119。

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